CN114400714A - 一种风电场电压分层协调优化控制方法及系统 - Google Patents

一种风电场电压分层协调优化控制方法及系统 Download PDF

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CN114400714A CN202210150662.1A CN202210150662A CN114400714A CN 114400714 A CN114400714 A CN 114400714A CN 202210150662 A CN202210150662 A CN 202210150662A CN 114400714 A CN114400714 A CN 114400714A
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Abstract

本发明公开了一种风电场电压分层协调优化控制方法及系统。首先，通过近似灵敏度建立各风电机组与风电场内部所有节点间的电压‑无功、电压‑有功联系；其次，为风电机组工作引入变下垂控制模式，每台风电机组具有单独且可变的下垂增益；以所有风电机组机端电压和并网点电压偏差最小为目标，以下垂增益为决策变量，以风电机组的无功约束、电压约束、系统稳定控制约束为限定条件，使得所有风电机组均工作于最优下垂增益以发出适量的感性/容性无功功率，从而解决了现有技术中风电机组端电压和风电场并网点电压波动及抬升无法有效抑制的难题，保障了风电场的安全稳定运行。

Description

一种风电场电压分层协调优化控制方法及系统
技术领域
本发明涉及风电场电压控制技术领域，尤其涉及一种风电场电压分层协调优化控制方法及系统。
背景技术
分散式风电场多分布于电力负荷少的网架薄弱地区，风电渗透率很高，电网电压抬升问题严重。电网末端电压抬升会进一步导致风电场内部的电压升高，而不可忽视的集电线路充电电容产生的线路充电功率会加剧这种现象。当风机端电压抬升过高时，会使并网逆变器退出运行，这已成为阻碍电网消纳分散式风电的主要问题之一。
为维持风电场电压的稳定，风电场通常装有无功电压调节装置，如静止无功补偿器SVC(static var compensator)、静止无功发生器SVG(static var generator)、固定电容器组等。然而这些无功补偿装置仅能针对风电场并网点电压有控制效果，因而控制效果有限。
发明内容
本发明通过提供一种风电场电压分层协调优化控制方法及系统，解决了现有技术中风电机组端电压和风电场并网点电压波动及抬升无法有效抑制的难题，实现了保障风电场安全稳定运行的技术效果。
本发明提供了一种风电场电压分层协调优化控制方法，包括：
获取风电场集电系统拓扑、集电线路参数以及长度、主变压器参数、风电场并网点电压、风电机组端电压幅值；
根据所述风电场集电系统拓扑、集电线路参数以及长度、主变压器参数，计算近似有功电压灵敏度矩阵和近似无功电压灵敏度矩阵；
基于所述风电场并网点电压、风电机组端电压幅值、近似有功电压灵敏度矩阵和近似无功电压灵敏度矩阵，以当前时刻机端电压和风电并网点电压为控制目标，以电压限值、无功限值以及满足系统稳定性的下垂增益限值为约束条件，建立解决风电机组机端及并网点电压为治理目标的下垂增益系数优化数学模型，对下一时刻风电机组的下垂增益系数进行优化，将优化得到的下垂增益系数输出至风电机组的无功电压控制器中，使每台风电机组根据相应的下垂增益系数发出无功功率参与风电场电压稳定性控制。
具体来说，所述根据所述风电场集电系统拓扑、集电线路参数以及长度、主变压器参数，计算近似有功电压灵敏度矩阵和近似无功电压灵敏度矩阵，包括：
获取风电场内任意节点o对任意节点a的近似电压有功灵敏度
Figure BDA0003510311690000021
和近似无功电压灵敏度
Figure BDA0003510311690000022
分别为：
Figure BDA0003510311690000023
Figure BDA0003510311690000024
其中，ΔSa为节点a的功率扰动量，Va *为扰动节点a电压的共轭复数，Zoa为节点a到电网节点与节点o到电网节点共同联络线的阻抗；
基于所述近似电压有功灵敏度
Figure BDA0003510311690000025
和近似无功电压灵敏度
Figure BDA0003510311690000026
构建风电场内全部节点间的近似有功电压灵敏度矩阵SVP和近似无功电压灵敏度矩阵SVQ分别为：
Figure BDA0003510311690000031
Figure BDA0003510311690000032
其中，n为风电场内风电机组个数；第1到第n个节点表示风电机组所在的节点；第n+1个节点表示风电场并网点；第n+2个节点表示电网节点；电压Vi表示节点i的电压，其中i＝1,2,…,n,n+1；Pj表示第j个节点注入的有功功率，其中j＝1,2,…,n,n+1；Qj表示第j个节点注入的无功功率；在所述近似有功电压灵敏度矩阵SVP和近似无功电压灵敏度矩阵SVQ中，列向量表示该列对应的某节点注入的有功/无功功率对风电场内部所有节点电压的影响程度；行向量表示该行对应的风电场内部节点受不同节点注入无功时的电压影响程度。
具体来说，所述下垂增益系数优化数学模型中的目标函数为：
Figure BDA0003510311690000033
其中，ω1和ω2分别为控制目标的权重系数，Vpcc为风电场并网点电压，Vi为第i个风电机组的端电压，Vref1为风电场并网点电压参考值，Vref2为风电机组端电压参考值；
所述风电机组下垂增益系数为
Figure BDA0003510311690000034
R为下垂增益系数的集合；其中，下垂增益系数可变，也就是说风电机组工作于无功电压变下垂控制状态，该状态下第i个风电机组的无功输出为：
Figure BDA0003510311690000041
其中，
Figure BDA0003510311690000042
表示第i个风电机组的下垂控制增益，
Figure BDA0003510311690000043
为第i个风电机组的端电压，QW iref为第i个风电机组的无功参考值；
所述下垂增益系数优化数学模型中的约束条件包括：电压约束、无功功率约束及下垂增益约束；
其中，所述电压约束由下列步骤得到：
定义V＝[V1,…,VN]，P＝[P1,…,PN]，Q＝[Q1,…,QN]分别表示节点电压、有功功率和无功功率，风电机组有功及无功功率变化引起的风电场内全节点电压变化为：
ΔV＝SVQΔQ+SVPΔP
根据当前采样时刻t0信息预测的下一个采样时刻t1的全节点电压为：
V(t1)＝ΔV(t0)+V(t0)≈V(t0)+SVQΔQ(t0)+SVPΔP(t0)
其中，ΔP为下一时刻所有风电机组预测有功功率与当前时刻有功功率的差值，第i个风机在t0和t1时刻的无功分别为：
Figure BDA0003510311690000044
Figure BDA0003510311690000045
得到第i个风机在t0和t1时刻发出无功功率的差值为：
Figure BDA0003510311690000046
任意时刻电压需满足以下限定条件：
Figure BDA0003510311690000047
其中，Vmax和Vmin分别为预设的允许的电压上下限；
所述无功功率约束由下式计算得到：
Figure BDA0003510311690000051
其中，Si为第i个风电机组的视在功率，Pi为第i个风电机组在当前时刻发出的有功功率，Qi为第i个风电机组可发出的无功功率；
所述下垂增益约束满足以下条件：
ρ(MSVQ)<1
其中，ρ为矩阵的谱函数，定义为矩阵特征值的最大绝对值；M为所有风电机组下垂增益的对角矩阵。
具体来说，在所述将优化得到的下垂增益系数输出至风电机组的无功电压控制器中，使每台风电机组根据相应的下垂增益系数发出无功功率之后，还包括：
判断并网点电压幅值是否越限；
若并网点电压幅值越限，计算每台风电机组的有功削减量，重复计算得到所述风电机组的下垂增益系数，将所述重复计算得到的下垂增益系数输出至所述风电机组的无功电压控制器中直至风电场并网点电压不越限。
具体来说，所述计算每台风电机组的有功削减量，包括：
定义当前时刻风电机组的有功出力集合P＝[P1,P2,…,Pn]T，该时刻风电机组的无功出力集合Q＝[Q1,Q2,…,Qn]T；假设所有风电机组削减有功功率总量为ΔPcur，每台风电机组削减的有功功率按照各自出力比例承担，则有
Figure BDA0003510311690000052
其中，ΔPcur-i为第i台风电机组削减的有功功率，αi为第i台风电机组有功出力占所有风电机组有功出力的比例。
本发明还提供了一种风电场电压分层协调优化控制系统，包括：
数据获取模块，用于获取风电场集电系统拓扑、集电线路参数以及长度、主变压器参数、风电场并网点电压、风电机组端电压幅值；
电压灵敏度矩阵计算模块，用于根据所述风电场集电系统拓扑、集电线路参数以及长度、主变压器参数，计算近似有功电压灵敏度矩阵和近似无功电压灵敏度矩阵；
控制模块，用于基于所述风电场并网点电压、风电机组端电压幅值、近似有功电压灵敏度矩阵和近似无功电压灵敏度矩阵，以当前时刻机端电压和风电并网点电压为控制目标，以电压限值、无功限值以及满足系统稳定性的下垂增益限值为约束条件，建立解决风电机组机端及并网点电压为治理目标的下垂增益系数优化数学模型，对下一时刻风电机组的下垂增益系数进行优化，将优化得到的下垂增益系数输出至风电机组的无功电压控制器中，使每台风电机组根据相应的下垂增益系数发出无功功率参与风电场电压稳定性控制。
具体来说，所述电压灵敏度矩阵计算模块，包括：
电压灵敏度获取单元，用于获取风电场内任意节点o对任意节点a的近似电压有功灵敏度
Figure BDA0003510311690000061
和近似无功电压灵敏度
Figure BDA0003510311690000062
分别为：
Figure BDA0003510311690000063
Figure BDA0003510311690000064
其中，ΔSa为节点a的功率扰动量，Va *为扰动节点a电压的共轭复数，Zoa为节点a到电网节点与节点o到电网节点共同联络线的阻抗；
电压灵敏度矩阵构建单元，用于基于所述近似电压有功灵敏度
Figure BDA0003510311690000065
和近似无功电压灵敏度
Figure BDA0003510311690000066
构建风电场内全部节点间的近似有功电压灵敏度矩阵SVP和近似无功电压灵敏度矩阵SVQ分别为：
Figure BDA0003510311690000071
Figure BDA0003510311690000072
其中，n为风电场内风电机组个数；第1到第n个节点表示风电机组所在的节点；第n+1个节点表示风电场并网点；第n+2个节点表示电网节点；电压Vi表示节点i的电压，其中i＝1,2,…,n,n+1；Pj表示第j个节点注入的有功功率，其中j＝1,2,…,n,n+1；Qj表示第j个节点注入的无功功率；在所述近似有功电压灵敏度矩阵SVP和近似无功电压灵敏度矩阵SVQ中，列向量表示该列对应的某节点注入的有功/无功功率对风电场内部所有节点电压的影响程度；行向量表示该行对应的风电场内部节点受不同节点注入无功时的电压影响程度。
具体来说，所述下垂增益系数优化数学模型中的目标函数为：
Figure BDA0003510311690000073
其中，ω1和ω2分别为控制目标的权重系数，Vpcc为风电场并网点电压，Vi为第i个风电机组的端电压，Vref1为风电场并网点电压参考值，Vref2为风电机组端电压参考值；
所述风电机组下垂增益系数为
Figure BDA0003510311690000074
R为下垂增益系数的集合；其中，下垂增益系数可变，也就是说风电机组工作于无功电压变下垂控制状态，该状态下第i个风电机组的无功输出为：
Figure BDA0003510311690000081
其中，
Figure BDA0003510311690000082
表示第i个风电机组的下垂控制增益，
Figure BDA0003510311690000083
为第i个风电机组的端电压，QW iref为第i个风电机组的无功参考值；
所述下垂增益系数优化数学模型中的约束条件包括：电压约束、无功功率约束及下垂增益约束；
其中，所述电压约束由下列步骤得到：
定义V＝[V1,…,VN]，P＝[P1,…,PN]，Q＝[Q1,…,QN]分别表示节点电压、有功功率和无功功率，风电机组有功及无功功率变化引起的风电场内全节点电压变化为：
ΔV＝SVQΔQ+SVPΔP
根据当前采样时刻t0信息预测的下一个采样时刻t1的全节点电压为：
V(t1)＝ΔV(t0)+V(t0)≈V(t0)+SVQΔQ(t0)+SVPΔP(t0)
其中，ΔP为下一时刻所有风电机组预测有功功率与当前时刻有功功率的差值，第i个风机在t0和t1时刻的无功分别为：
Figure BDA0003510311690000084
Figure BDA0003510311690000085
得到第i个风机在t0和t1时刻发出无功功率的差值为：
Figure BDA0003510311690000086
任意时刻电压需满足以下限定条件：
Figure BDA0003510311690000087
其中，Vmax和Vmin分别为预设的允许的电压上下限；
所述无功功率约束由下式计算得到：
Figure BDA0003510311690000091
其中，Si为第i个风电机组的视在功率，Pi为第i个风电机组在当前时刻发出的有功功率，Qi为第i个风电机组可发出的无功功率；
所述下垂增益约束满足以下条件：
ρ(MSVQ)<1
其中，ρ为矩阵的谱函数，定义为矩阵特征值的最大绝对值；M为所有风电机组下垂增益的对角矩阵。
具体来说，还包括：
电压幅值判断模块，用于判断并网点电压幅值是否越限；
有功削减量计算模块，用于若并网点电压幅值越限，计算每台风电机组的有功削减量；
优化调整模块，用于重复计算得到所述风电机组的下垂增益系数，将所述重复计算得到的下垂增益系数输出至所述风电机组的无功电压控制器中直至风电场并网点电压不越限。
具体来说，所述有功削减量计算模块，具体用于定义当前时刻风电机组的有功出力集合P＝[P1,P2,…,Pn]T，该时刻风电机组的无功出力集合Q＝[Q1,Q2,…,Qn]T；假设所有风电机组削减有功功率总量为ΔPcur，每台风电机组削减的有功功率按照各自出力比例承担，则有
Figure BDA0003510311690000092
其中，ΔPcur-i为第i台风电机组削减的有功功率，αi为第i台风电机组有功出力占所有风电机组有功出力的比例。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
首先，通过近似灵敏度建立各风机与风电场内部所有节点间的电压-无功、电压-有功联系；其次，为风电机组工作引入变下垂控制模式，每台风电机组具有单独且可变的下垂增益；以所有风电机组机端电压和并网点电压偏差最小为目标，以下垂增益为决策变量，以风电机组的无功约束、电压约束、系统稳定控制约束为限定条件，使得所有风电机组均工作于最优下垂增益以发出适量的感性/容性无功功率，从而解决了现有技术中风电机组端电压和风电场并网点电压波动及抬升无法有效抑制的难题，保障了风电场安全稳定运行。
附图说明
图1为本发明实施例提供的风电场电压分层协调优化控制方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的风电场电压分层协调优化控制方法的原理图；
图3为本发明实施例中风电机组无功电压控制的下垂增益优化及分配示意图；
图4为本发明实施例中用于近似电压灵敏度计算的典型径向分布网络拓扑图；
图5为本发明实施例中风电机组无功电压控制的下垂增益计算方法的原理图；
图6为本发明实施例中风电机组有功削减量微调节方法的原理图；
图7为本发明实施例中风电场主电路拓扑图；
图8为本仿真实验中低风速场景时风电机组的有功出力曲线图；
图9为本仿真实验中低风速场景下在不同电压控制方法的风电场并网点电压曲线图；
图10为本仿真实验中低风速场景下无控制策略时风电机组端电压曲线图；
图11为本仿真实验中低风速场景下采用传统下垂控制策略时风电机组端电压曲线图；
图12为本仿真实验中低风速场景下采用本发明实施例提供的控制方法时风电机组端电压曲线图；
图13为本仿真实验中低风速场景下采用不同方法时的风电机组无功出力曲线图；
图14为本仿真实验中低风速场景下第600秒仿真时间时的风电机组无功出力柱状图；
图15为本仿真实验中高风速场景时风电机组的有功出力曲线图；
图16为本仿真实验中高风速场景下在不同电压控制方法的风电场并网点电压曲线图；
图17为本仿真实验中高风速场景下启用/未启用有功削减模式时54节点所接风电机组的端电压曲线图；
图18为本仿真实验中高风速场景下启用/未启用有功削减模式时风电机组有功出力变化曲线图；
图19为本仿真实验中高风速场景下启用/未启用有功削减模式时风电机组无功出力变化曲线图；
图20为本发明实施例提供的风电场电压分层协调优化控制系统的模块图。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种风电场电压分层协调优化控制方法及系统，解决了现有技术中风电机组端电压和风电场并网点电压波动及抬升无法有效抑制的难题，实现了保障风电场安全稳定运行的技术效果。
本发明实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：
本发明实施例提出的考虑有功削减最小化的风电场电压分层协调优化方法通过近似灵敏度建立各风机与风电场内部所有节点间的电压-无功、电压-有功联系；为风电机组工作引入变下垂控制模式，每台风电机组具有单独且可变的下垂增益；以所有风电机组机端电压和并网点电压偏差最小为目标，以下垂增益为决策变量，以风电机组的无功约束、电压约束、系统稳定控制约束为限定条件，使得所有风电机组均工作于最优下垂增益。与传统下垂控制方式相比，本发明实施例提供的控制方法及系统的风电场内无功分布更加合理，可同时实现机端电压和并网点电压抬升及波动的抑制。
当风电场处于满发或接近满发而并网点电压又越限时，对某些风电机组的有功功率进行削减，以使得风电场具有充足的无功来满足调压需求。
此外，本发明实施例还结合近似有功-电压灵敏度、近似无功-电压灵敏度，提出了有功削减估算与微调节相结合的计算方法，从而实现了风电机组有功削减量的快速精准计算。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
参见图1、图2和图3，本发明实施例提供的风电场电压分层协调优化控制方法，包括：
步骤S110：获取风电场集电系统拓扑、集电线路参数以及长度、主变压器参数、风电场并网点电压、风电机组端电压幅值；
步骤S120：根据风电场集电系统拓扑、集电线路参数以及长度、主变压器参数，计算风电场内部的近似电压灵敏度矩阵，包括近似有功电压灵敏度矩阵和近似无功电压灵敏度矩阵；通过电压灵敏度矩阵，建立了各风机与风电场内部所有节点间的电压-无功和电压-有功联系。
对本步骤进行具体说明，根据风电场集电系统拓扑、集电线路参数以及长度、主变压器参数，计算近似有功电压灵敏度矩阵和近似无功电压灵敏度矩阵，包括：
图4为风电场典型分布网络拓扑，为了说明近似电压灵敏度矩阵计算方式，本发明实施例仅列出了两个关键节点o、a。
获取风电场内任意节点o对任意节点a的近似电压有功灵敏度
Figure BDA0003510311690000121
和近似无功电压灵敏度
Figure BDA0003510311690000122
分别为：
Figure BDA0003510311690000123
Figure BDA0003510311690000124
其中，ΔSa为节点a的功率扰动量，Va *为扰动节点a电压的共轭复数，Zoa为节点a到电网节点与节点o到电网节点共同联络线的阻抗；
基于近似电压有功灵敏度
Figure BDA0003510311690000131
和近似无功电压灵敏度
Figure BDA0003510311690000132
构建风电场内全部节点间的近似有功电压灵敏度矩阵SVP和近似无功电压灵敏度矩阵SVQ分别为：
Figure BDA0003510311690000133
Figure BDA0003510311690000134
其中，n为风电场内风电机组个数；第1到第n个节点表示风电机组所在的节点；第n+1个节点表示风电场并网点；第n+2个节点表示电网节点；电压Vi表示节点i的电压，其中i＝1,2,…,n,n+1；Pj表示第j个节点注入的有功功率，其中j＝1,2,…,n,n+1；Qj表示第j个节点注入的无功功率；在近似有功电压灵敏度矩阵SVP和近似无功电压灵敏度矩阵SVQ中，列向量表示该列对应的某节点注入的有功/无功功率对风电场内部所有节点(含并网点)电压的影响程度，如第n列表示风电场内部所有节点对第n个节点的近似有功/无功电压灵敏度；行向量表示该行对应的风电场内部节点受不同节点注入无功时的电压影响程度，如第n行表示第n个节点对风电场内部所有节点的近似有功/无功电压灵敏度。
步骤S130：基于风电场并网点电压、风电机组端电压幅值、近似有功电压灵敏度矩阵和近似无功电压灵敏度矩阵，以当前时刻机端电压和风电并网点电压为控制目标，以电压限值、无功限值以及满足系统稳定性的下垂增益限值为约束条件，建立解决风电机组机端及并网点电压为治理目标的下垂增益系数优化数学模型，对下一时刻风电机组的下垂增益系数进行优化，将优化得到的下垂增益系数输出至风电机组的无功电压控制器中，使每台风电机组根据相应的下垂增益系数发出无功功率参与风电场电压稳定性控制。风电机组在收到下一时刻的下垂增益之前，其下垂增益采取上一时刻的优化值。
具体地，参见图5，首先定义风电机组无功电压控制的下垂控制增益系数为
Figure BDA0003510311690000141
R为下垂控制增益系数的集合。下垂控制增益可变，也就是说风电机组工作于无功电压变下垂控制状态，该状态下第i个风电机组的无功输出
Figure BDA0003510311690000142
为：
Figure BDA0003510311690000143
其中，
Figure BDA0003510311690000144
表示第i个风电机组的下垂控制增益，
Figure BDA0003510311690000145
为第i个风电机组的端电压，Vref2为风电机组端电压参考值，QW iref为第i个风电机组的无功参考值。
在本实施例中，下垂增益系数优化数学模型中的目标函数为：
Figure BDA0003510311690000146
其中，ω1和ω2分别为控制目标的权重系数，Vpcc为风电场并网点电压，Vi为第i个风电机组的端电压，Vref1为风电场并网点的电压参考值。
下垂增益系数优化数学模型中的约束条件包括：电压约束、无功功率约束及下垂增益约束；
其中，电压约束由下列步骤得到：
定义V＝[V1,…,VN]，P＝[P1,…,PN]，Q＝[Q1,…,QN]分别表示节点电压、有功功率和无功功率，风电机组有功及无功功率变化引起的风电场内全节点电压变化为：
ΔV＝SVQΔQ+SVPΔP (7)
当前采样时刻t0与下一个采样时刻t1的时间间隔，也就是采用时间间隔由风电场并网电压波动情况决定。比如，若并网点电压波动小，则采样时间间隔可以设置为1秒；若并网点电压波动剧烈，则可以缩短至0.5秒，甚至更小，但时间间隔要大于系统的计算时间。根据当前采样时刻t0信息预测的下一个采样时刻t1的全节点电压为：
V(t1)＝ΔV(t0)+V(t0)≈V(t0)+SVQΔQ(t0)+SVPΔP(t0) (8)
其中，ΔP为下一时刻所有风电机组预测有功功率与当前时刻有功功率的差值，第i个风机在t0和t1时刻的无功分别为：
Figure BDA0003510311690000151
Figure BDA0003510311690000152
联立式(8)、(9)和(10)可得到第i个风机在t0和t1时刻发出无功功率的差值为：
Figure BDA0003510311690000153
任意时刻电压需满足以下限定条件：
Figure BDA0003510311690000154
其中，Vmax和Vmin分别为预设的允许的电压上下限。在本实施例中，Vmax和Vmin的取值分别为1.05和0.95。
无功功率约束由下式计算得到：
Figure BDA0003510311690000155
其中，Si为第i个风电机组的视在功率，Pi为第i个风电机组在当前时刻发出的有功功率，Qi为第i个风电机组可发出的无功功率；
下垂增益约束满足以下条件：
ρ(MSVQ)<1 (14)
其中，ρ为矩阵的谱函数，定义为矩阵特征值的最大绝对值；M为所有风电机组下垂增益的对角矩阵，
Figure BDA0003510311690000156
为了使得风电场能够具有充足的无功来满足调压需求，在将优化得到的下垂增益系数输出至风电机组的无功电压控制器中，使每台风电机组根据相应的下垂增益系数发出无功功率之后，还包括：
判断并网点电压幅值是否越限；
若并网点电压幅值没有越限，将标志位flag置为0，风电机组则以上一步计算得到的下垂增益系数运行。
若并网点电压幅值越限，将标志位flag置为1，表示当前时刻风电机组的无功容量不足，难以解决并网点电压越限的问题。风电机组需进入有功削减模式；计算每台风电机组的有功削减量，重复计算得到有功削减模式下的风电机组的下垂增益系数，将重复计算得到的下垂增益系数输出至风电机组的无功电压控制器中直至风电场并网点电压不越限，从而实现风电场在满发或接近满发而并网点电压又越限时，风电场机端及并网点电压抬升问题得到有效治理；
在本实施例中，结合得到的风电场节点间近似有功电压灵敏度、近似无功电压灵敏度，以及不同风电机组的有功削减比例、风电场并网点电压所需变化值，估算出可满足并网点电压调压需求的风电机组有功削减量。
具体地，计算每台风电机组的有功削减量，包括：
定义当前时刻风电机组的有功出力集合P＝[P1,P2,…,Pn]T，该时刻风电机组的无功出力集合Q＝[Q1,Q2,…,Qn]T；假设所有风电机组削减有功功率总量为ΔPcur，每台风电机组削减的有功功率按照各自出力比例承担，则有
Figure BDA0003510311690000161
其中，ΔPcur-i为第i台风电机组削减的有功功率，αi为第i台风电机组有功出力占所有风电机组有功出力的比例。因此，削减有功功率后，每台风电机组的无功裕度为：
Figure BDA0003510311690000162
其中，Qcur-i为第i台风电机组削减有功功率后的无功裕度，需要风电机组吸收无功功率以降低并网点电压，此时所有风电机组的无功裕度应充分应用，所以每台风电机组的无功变化量为：
Figure BDA0003510311690000171
因此，风电场并网点电压变化值与所有风电机组有功功率、无功功率变化值的关系式为：
ΔVpcc＝-SVP_pccΔPcur+SVQ_pccΔQcur (18)
其中，ΔPcur为风电机组削减有功功率集合，ΔPcur＝[ΔPcur-1,ΔPcur-2,…,ΔPcur-n]T；ΔQcur为风电机组削减有功功率前后发出的无功功率之差的集合，ΔQcur＝[ΔQcur-1,ΔQcur-2,…,ΔQcur-n]T；ΔVpcc为风电场并网点电压变化值，SVP_pcc和SVQ_pcc分别为并网点对风电机组所在节点的近似有功电压灵敏度行向量和近似无功电压灵敏度行向量。
联立式(15)、(16)与(17)，整理可得关于风电场削减有功功率总量ΔPcur的一元二次方程式为：
a(ΔPcur)2+bΔPcur+c＝0 (19)
a＝SVQ_pccααT(SVQ_pcc)T+SVP_pccααT(SVP_pcc)T (20)
b＝2SVQ_pccαΔVpcc+2SVQ_pccQSVP_pccα-2SVQ_pccα (21)
c＝(ΔVpcc)2+2SVQ_pccQΔVpcc (22)
其中，α为单个风电机组占所有风电机组总出力比例系数组成的列向量。联立式(19)-(22)，可得到方程式的两个解，即ΔPcur1和ΔPcur2，最终可得风电场需要削减的总有功功率大小估计值为：
ΔPcur＝min{ΔPcur1,ΔPcur2} (23)
为了降低估算出的总有功削减值可能存在的偏差，从而提高控制的精度，在有功功率削减量估计值的基础上，利用微调节策略对风电机组的有功削减量进行精确微调节，从而确保风电机组具备充足的无功裕度参与风电场内部电压治理，如图6所示，风电机组有功削减量微调节由以下步骤来完成：
步骤S1：首先引入k作为有功削减量，将有功总削减量k初始化为0.9ΔPcur。引入一个标志位i，并初始化为0，计算风电机组在该有功削减量下的无功裕度。
步骤S2：根据下垂控制增益系数在线调整方法得到下垂控制增益系数，使风电机组按照各自的下垂控制增益系数发出相应的无功功率。
步骤S3：判断并网点电压Vpcc是否控制在设定值Vset以内；在本实施例中，Vset的大小依据风电场并网情况取值，在不同的风电场中取值不同。
步骤S4：若Vpcc大于设定值Vset，表示有功削减量仍不足以保证有足够的无功裕度实现并网点电压治理。接下来，k值以一个固定的步长γ进行削减量增加运算，使有功削减量缓慢的靠近边界，并将标志位i置为1，直到Vpcc小于Vset。此时，k值以γ步长刚好跨出边界值第一步。故通过并网点电压与标志位的判断，有功削减量以γ步长恰好退回一步得到合适的有功削减量。在迭代过程中，若有功削减量k一旦大于1.1倍的估计值时，也立即退出循环，并转入步骤S6。
步骤S5：若Vpcc小于Vset，其包含两种情况：第一种是步骤S3的判断结果，另一种是经过步骤S4削减有功功率后得到的判断结果。但都表示此刻设定的削减量过大。接下来k值以一个固定的步长β对削减量进行减小运算，并不断的循环执行无功电压优化控制策略，直到程序至少执行一次固定步长削减量增加运算，并在Vpcc小于Vset且标志位i＝1同时满足时退出迭代运算，转入步骤S6。
这里需要说明的是，固定步长γ以及β的大小主要影响迭代速率及计算精度，其取值范围分别为γ>1，β<1；具体取值根据迭代速率以及计算精度要求设置为不同值。
步骤S6：得到风电机组的最优削减量，将该时刻的有功削减量送至风电机组控制器，并计算出下垂控制增益系数使风电机组发出相应的无功功率参与风电场的电压控制。
仿真实验：
选取如图7所示的由25台风电机组组成的典型分散式风电场并网系统，验证了本发明实施例提供的无功电压控制方法的有效性。其中，1号节点为电网，3号节点为风电场并网点，4号节点为升压站的低压侧，该风电场装有25台风电机组，分别接入30-54节点，4-29节点为风电机组箱变的高压侧。在电压等级方面，1-3节点为110kV，4-29节点为35kV,30-54节点为0.69kV。任意相邻风电机组间线路长度均为0.9km，风电场外送线路长度为60km。风电场集电线路、外送线路、箱式变压器以及升压站变压器的参数如表1所示。为体现本发明实施例提供的控制方法的有效性，本仿真实验考虑了两种风电机组出力场景：中低风速场景以及高风速场景。
表1风电场网络参数
Figure BDA0003510311690000191
(一)低风速场景：
该场景下风电机组出力在0.35MW-1.0MW之间波动，且假设所有风电机组出力一致，风电机组的出力曲线如图8所示，仿真时间设置为1200s。设置电网电压及风电场并网点电压参考值均为1.0p.u.。在该场景下，每台风电机组均具备充足的无功裕度，因此未启动有功削减控制。
图9为风电场并网点电压值。图10-图12分别为无控制策略、传统下垂策略以及本发明实施例提供的无功优化控制方法时的风电机组端电压。图13为所有风电机组的无功出力，图14为第600s时刻所有风电机组发出无功出力的柱状图。
由图9和图10可知，在无控制策略时，场内风电机组未发出任何无功功率，由于有功出力及集电线路充电电容的关系，导致风电场并网点电压以及机组端电压会出现电压抬升现象。采用传统下垂控制和本发明实施例提供的控制方法可使风电场并网点电压的平均值由1.0104p.u.分别下降至1.0039p.u.和1.0040p.u.。由此可见，这两种方法对风电场并网点电压治理能力相当，都能够解决风电场并网点的电压抬升问题。而由图11和图12可知，传统的下垂控制方法仅考虑了风电场并网点电压而忽略了风电机组端电压的控制，在该控制方式下各风电机组无功出力相同。如图13所示，由于风电机组分布于馈线位置不同，将其端电压稳定在1.0p.u.附近需要的无功功率也不尽相同。因此，传统的下垂控制方法可能使得场内无功分布不均衡，风电机组端电压会出现过补偿或欠补偿现象。
本发明实施例提供的控制方法将风电场并网点电压与风电机组端电压控制同时纳入进来，所有风电机组端电压的最大标准差由未受控制时的0.0032降低至2.89e-4，不仅解决了风电机组端电压的电压抬升问题，对由有功功率波动导致的电压波动也具备良好的抑制效果。本发明实施例提供的控制方法采用可变增益系数优化的下垂控制策略，每台风电机组根据自身端电压的不同调整下垂增益，使得风电场内无功分配达到最优。由于集电线路越长，其线路充电电容导致的端电压抬升现象就越明显，因此，为了将所有风电机组电压维持在1.0p.u.附近，线路末端的风机应发出更多的感性无功才可使风电场内部无功分布更合理。同时，由于馈线3含有9台风机，相比于其他两条馈线，该馈线的线路更长，解决风电机组端电压抬升问题需要的感性无功功率相对较大，上述现象与图14中描述的无功出力规律一致。
(二)高风速场景：
该场景下风电机组出力在1.9MW-2.0MW之间波动，风电机组出力曲线如图15所示，设置电网电压及风电场并网点电压参考值均为1.0p.u.。当风电机组发出无功达到最大限值且风电场并网点电压仍高于1.01p.u.时，启动有功削减模式。图16为风电场并网点电压。图17为54节点所在的风电机组端电压。图18和图19分别为启动或未启动有功削减模式时风电机组的有功和无功出力曲线。
由图16可知，在高风速场景下，风电场并网点电压可达1.014p.u.以上，高于低风速场景的平均值1.010p.u.，主要原因在于弱电网条件下，风电出力愈高，并网点电压抬升现象愈明显。在[479s,811s]区间内，未启动有功削减模式时，由于有功出力即将达到或达到满发，风电机组无功裕度极小，无法对风电场并网点电压进行有效支撑，从而导致并网点电压大于1.01p.u.。若启动有功削减模式，风电机组通过计算有功削减量使风电场并网点电压被控制在1.01p.u.。
由图17可知，54节点所在的风电机组机端电压在启动有功削减模式时被控制在1.03p.u.以下。如果不采取任何控制策略或不启动有功削减模式，其端电压将超过1.05p.u.。当电网电压超过1.02p.u.值时，该风机端电压甚至有超过1.1p.u.的风险。在实际风电场运行中，风电机组保护装置设置的电压保护范围通常为0.9-1.1p.u，因此，若不对其采取有功削减模式下的无功电压控制，该风电机组有被切除的风险。
由图18和图19可知，当启用有功削减模式时，最高削减有功功率为0.0144MW，仅为最高有功出力的0.7％，此时风电机组有相应的无功裕度参与风电场并网点电压和风电机组端电压的控制，无功出力也得到相应提升，如在第600s时刻，感性无功出力由0.128MVar提升至0.239MVar，提升近一倍。因此，有功削减模式可通过适当削减风电机组输出的有功功率，使风电机组释放出更多的无功容量来支撑风电满发时的并网点电压和风电机组端电压。
参见图20，本发明实施例提供的风电场电压分层协调优化控制系统，包括：
数据获取模块100，用于获取风电场集电系统拓扑、集电线路参数以及长度、主变压器参数、风电场并网点电压、风电机组端电压幅值；
电压灵敏度矩阵计算模块200，用于根据风电场集电系统拓扑、集电线路参数以及长度、主变压器参数，计算风电场内部的近似电压灵敏度矩阵，包括近似有功电压灵敏度矩阵和近似无功电压灵敏度矩阵；通过电压灵敏度矩阵，建立了各风机与风电场内部所有节点间的电压-无功和电压-有功联系；
具体地，电压灵敏度矩阵计算模块200，包括：
电压灵敏度获取单元，用于获取风电场内任意节点o对任意节点a的近似电压有功灵敏度
Figure BDA0003510311690000221
和近似无功电压灵敏度
Figure BDA0003510311690000222
分别为：
Figure BDA0003510311690000223
Figure BDA0003510311690000224
其中，ΔSa为节点a的功率扰动量，Va *为扰动节点a电压的共轭复数，Zoa为节点a到电网节点与节点o到电网节点共同联络线的阻抗；
电压灵敏度矩阵构建单元，用于基于近似电压有功灵敏度
Figure BDA0003510311690000225
和近似无功电压灵敏度
Figure BDA0003510311690000226
构建风电场内全部节点间的近似有功电压灵敏度矩阵SVP和近似无功电压灵敏度矩阵SVQ分别为：
Figure BDA0003510311690000227
Figure BDA0003510311690000231
其中，n为风电场内风电机组个数；第1到第n个节点表示风电机组所在的节点；第n+1个节点表示风电场并网点；第n+2个节点表示电网节点；电压Vi表示节点i的电压，其中i＝1,2,…,n,n+1；Pj表示第j个节点注入的有功功率，其中j＝1,2,…,n,n+1；Qj表示第j个节点注入的无功功率；在近似有功电压灵敏度矩阵SVP和近似无功电压灵敏度矩阵SVQ中，列向量表示该列对应的某节点注入的有功/无功功率对风电场内部所有节点(含并网点)电压的影响程度，如第n列表示风电场内部所有节点对第n个节点的近似有功/无功电压灵敏度；行向量表示该行对应的风电场内部节点受不同节点注入无功时的电压影响程度，如第n行表示第n个节点对风电场内部所有节点的近似有功/无功电压灵敏度。
控制模块300，用于基于风电场并网点电压、风电机组端电压幅值、近似有功电压灵敏度矩阵和近似无功电压灵敏度矩阵，以当前时刻机端电压和风电并网点电压为控制目标，以电压限值、无功限值以及满足系统稳定性的下垂增益限值为约束条件，建立解决风电机组机端及并网点电压为治理目标的下垂增益系数优化数学模型，对下一时刻风电机组的下垂增益系数进行优化，将优化得到的下垂增益系数输出至风电机组的无功电压控制器中，使每台风电机组根据相应的下垂增益系数发出无功功率参与风电场电压稳定性控制。风电机组在收到下一时刻的下垂增益之前，其下垂增益采取上一时刻的优化值。
具体地，下垂增益系数优化数学模型中的目标函数为：
Figure BDA0003510311690000232
其中，ω1和ω2分别为控制目标的权重系数，Vpcc为风电场并网点电压，Vi为第i个风电机组的端电压，Vref1为风电场并网点的电压参考值，Vref2为风电机组端电压参考值；
风电机组无功电压控制的下垂控制增益系数为
Figure BDA0003510311690000241
R为下垂控制增益系数的集合。其中，下垂控制增益可变，也就是说风电机组工作于无功电压变下垂控制状态，该状态下第i个风电机组的无功输出
Figure BDA0003510311690000242
为：
Figure BDA0003510311690000243
其中，
Figure BDA0003510311690000244
表示第i个风电机组的下垂控制增益，
Figure BDA0003510311690000245
为第i个风电机组的端电压，QW iref为第i个风电机组的无功参考值；
下垂增益系数优化数学模型中的约束条件包括：电压约束、无功功率约束及下垂增益约束；
其中，电压约束由下列步骤得到：
定义V＝[V1,…,VN]，P＝[P1,…,PN]，Q＝[Q1,…,QN]分别表示节点电压、有功功率和无功功率，风电机组有功及无功功率变化引起的风电场内全节点电压变化为：
ΔV＝SVQΔQ+SVPΔP
当前采样时刻t0与下一个采样时刻t1的时间间隔，也就是采用时间间隔由风电场并网电压波动情况决定。比如，若并网点电压波动小，则采样时间间隔可以设置为1秒；若并网点电压波动剧烈，则可以缩短至0.5秒，甚至更小，但时间间隔要大于系统的计算时间。根据当前采样时刻t0信息预测的下一个采样时刻t1的全节点电压为：
V(t1)＝ΔV(t0)+V(t0)≈V(t0)+SVQΔQ(t0)+SVPΔP(t0)
其中，ΔP为下一时刻所有风电机组预测有功功率与当前时刻有功功率的差值，第i个风机在t0和t1时刻的无功分别为：
Figure BDA0003510311690000246
Figure BDA0003510311690000251
得到第i个风机在t0和t1时刻发出无功功率的差值为：
Figure BDA0003510311690000252
任意时刻电压需满足以下限定条件：
Figure BDA0003510311690000253
其中，Vmax和Vmin分别为预设的允许的电压上下限。在本实施例中，Vmax和Vmin的取值分别为1.05和0.95。
无功功率约束由下式计算得到：
Figure BDA0003510311690000254
其中，Si为第i个风电机组的视在功率，Pi为第i个风电机组在当前时刻发出的有功功率，Qi为第i个风电机组可发出的无功功率；
下垂增益约束满足以下条件：
ρ(MSVQ)<1
其中，ρ为矩阵的谱函数，定义为矩阵特征值的最大绝对值；M为所有风电机组下垂增益的对角矩阵，
Figure BDA0003510311690000255
为了使得风电场能够具有充足的无功来满足调压需求，在将优化得到的下垂增益系数输出至风电机组的无功电压控制器中，使每台风电机组根据相应的下垂增益系数发出无功功率之后，还包括：
电压幅值判断模块，用于判断并网点电压幅值是否越限，若并网点电压幅值没有越限，将标志位flag置为0，风电机组则以上一步计算得到的下垂增益系数运行。
有功削减量计算模块，用于若并网点电压幅值越限，将标志位flag置为1，表示当前时刻风电机组的无功容量不足，难以解决并网点电压越限的问题。风电机组需进入有功削减模式；计算每台风电机组的有功削减量；
优化调整模块，用于重复计算得到有功削减模式下的风电机组的下垂增益系数，将重复计算得到的下垂增益系数输出至风电机组的无功电压控制器中直至风电场并网点电压不越限，从而实现风电场在满发或接近满发而并网点电压又越限时，风电场机端及并网点电压抬升问题得到有效治理。
在本实施例中，结合得到的风电场节点间近似有功电压灵敏度、近似无功电压灵敏度，以及不同风电机组的有功削减比例、风电场并网点电压所需变化值，估算出可满足并网点电压调压需求的风电机组有功削减量。
具体地，有功削减量计算模块，具体用于定义当前时刻风电机组的有功出力集合P＝[P1,P2,…,Pn]T，该时刻风电机组的无功出力集合Q＝[Q1,Q2,…,Qn]T；假设所有风电机组削减有功功率总量为ΔPcur，每台风电机组削减的有功功率按照各自出力比例承担，则有
Figure BDA0003510311690000261
其中，ΔPcur-i为第i台风电机组削减的有功功率，αi为第i台风电机组有功出力占所有风电机组有功出力的比例。因此，削减有功功率后，每台风电机组的无功裕度为：
Figure BDA0003510311690000262
其中，Qcur-i为第i台风电机组削减有功功率后的无功裕度，需要风电机组吸收无功功率以降低并网点电压，此时所有风电机组的无功裕度应充分应用，所以每台风电机组的无功变化量为：
Figure BDA0003510311690000263
因此，风电场并网点电压变化值与所有风电机组有功功率、无功功率变化值的关系式为：
ΔVpcc＝-SVP_pccΔPcur+SVQ_pccΔQcur
其中，ΔPcur为风电机组削减有功功率集合，ΔPcur＝[ΔPcur-1,ΔPcur-2,…,ΔPcur-n]T；ΔQcur为风电机组削减有功功率前后发出的无功功率之差的集合，ΔQcur＝[ΔQcur-1,ΔQcur-2,…,ΔQcur-n]T；ΔVpcc为风电场并网点电压变化值，SVP_pcc和SVQ_pcc分别为并网点对风电机组所在节点的近似有功电压灵敏度行向量和近似无功电压灵敏度行向量。
整理可得关于风电场削减有功功率总量ΔPcur的一元二次方程式为：
a(ΔPcur)2+bΔPcur+c＝0
a＝SVQ_pccααT(SVQ_pcc)T+SVP_pccααT(SVP_pcc)T
b＝2SVQ_pccαΔVpcc+2SVQ_pccQSVP_pccα-2SVQ_pccα
c＝(ΔVpcc)2+2SVQ_pccQΔVpcc
其中，α为单个风电机组占所有风电机组总出力比例系数组成的列向量。可得到方程式的两个解，即ΔPcur1和ΔPcur2，最终可得风电场需要削减的总有功功率大小估计值为：
ΔPcur＝min{ΔPcur1,ΔPcur2}
本发明实施例对于含有永磁直驱风电机组以及双馈型感应风电机组的风电场均适用。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种风电场电压分层协调优化控制方法，其特征在于，包括：
获取风电场集电系统拓扑、集电线路参数以及长度、主变压器参数、风电场并网点电压、风电机组端电压幅值；
根据所述风电场集电系统拓扑、集电线路参数以及长度、主变压器参数，计算近似有功电压灵敏度矩阵和近似无功电压灵敏度矩阵；
基于所述风电场并网点电压、风电机组端电压幅值、近似有功电压灵敏度矩阵和近似无功电压灵敏度矩阵，以当前时刻机端电压和风电并网点电压为控制目标，以电压限值、无功限值以及满足系统稳定性的下垂增益限值为约束条件，建立解决风电机组机端及并网点电压为治理目标的下垂增益系数优化数学模型，对下一时刻风电机组的下垂增益系数进行优化，将优化得到的下垂增益系数输出至风电机组的无功电压控制器中，使每台风电机组根据相应的下垂增益系数发出无功功率参与风电场电压稳定性控制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述风电场集电系统拓扑、集电线路参数以及长度、主变压器参数，计算近似有功电压灵敏度矩阵和近似无功电压灵敏度矩阵，包括：
获取风电场内任意节点o对任意节点a的近似电压有功灵敏度
Figure FDA0003510311680000011
和近似无功电压灵敏度
Figure FDA0003510311680000012
分别为：
Figure FDA0003510311680000013
Figure FDA0003510311680000014
其中，ΔSa为节点a的功率扰动量，Va *为扰动节点a电压的共轭复数，Zoa为节点a到电网节点与节点o到电网节点共同联络线的阻抗；
基于所述近似电压有功灵敏度
Figure FDA0003510311680000015
和近似无功电压灵敏度
Figure FDA0003510311680000016
构建风电场内全部节点间的近似有功电压灵敏度矩阵SVP和近似无功电压灵敏度矩阵SVQ分别为：
Figure FDA0003510311680000021
Figure FDA0003510311680000022
其中，n为风电场内风电机组个数；第1到第n个节点表示风电机组所在的节点；第n+1个节点表示风电场并网点；第n+2个节点表示电网节点；电压Vi表示节点i的电压，其中i＝1,2,…,n,n+1；Pj表示第j个节点注入的有功功率，其中j＝1,2,…,n,n+1；Qj表示第j个节点注入的无功功率；在所述近似有功电压灵敏度矩阵SVP和近似无功电压灵敏度矩阵SVQ中，列向量表示该列对应的某节点注入的有功/无功功率对风电场内部所有节点电压的影响程度；行向量表示该行对应的风电场内部节点受不同节点注入无功时的电压影响程度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述下垂增益系数优化数学模型中的目标函数为：
Figure FDA0003510311680000023
其中，ω1和ω2分别为控制目标的权重系数，Vpcc为风电场并网点电压，Vi为第i个风电机组的端电压，Vref1为风电场并网点电压参考值，Vref2为风电机组端电压参考值；
所述风电机组下垂增益系数为
Figure FDA0003510311680000031
R为下垂增益系数的集合；其中，下垂增益系数可变，也就是说风电机组工作于无功电压变下垂控制状态，该状态下第i个风电机组的无功输出为：
Figure FDA0003510311680000032
其中，
Figure FDA0003510311680000033
表示第i个风电机组的下垂控制增益，
Figure FDA0003510311680000034
为第i个风电机组的端电压，QW iref为第i个风电机组的无功参考值；
所述下垂增益系数优化数学模型中的约束条件包括：电压约束、无功功率约束及下垂增益约束；
其中，所述电压约束由下列步骤得到：
定义V＝[V1,…,VN]，P＝[P1,…,PN]，Q＝[Q1,…,QN]分别表示节点电压、有功功率和无功功率，风电机组有功及无功功率变化引起的风电场内全节点电压变化为：
△V＝SVQ△Q+SVP△P
根据当前采样时刻t0信息预测的下一个采样时刻t1的全节点电压为：
V(t1)＝△V(t0)+V(t0)≈V(t0)+SVQ△Q(t0)+SVP△P(t0)
其中，ΔP为下一时刻所有风电机组预测有功功率与当前时刻有功功率的差值，第i个风机在t0和t1时刻的无功分别为：
Figure FDA0003510311680000035
Figure FDA0003510311680000036
得到第i个风机在t0和t1时刻发出无功功率的差值为：
Figure FDA0003510311680000037
任意时刻电压需满足以下限定条件：
Figure FDA0003510311680000038
其中，Vmax和Vmin分别为预设的允许的电压上下限；
所述无功功率约束由下式计算得到：
Figure FDA0003510311680000041
其中，Si为第i个风电机组的视在功率，Pi为第i个风电机组在当前时刻发出的有功功率，Qi为第i个风电机组可发出的无功功率；
所述下垂增益约束满足以下条件：
ρ(MSVQ)<1
其中，ρ为矩阵的谱函数，定义为矩阵特征值的最大绝对值；M为所有风电机组下垂增益的对角矩阵。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述将优化得到的下垂增益系数输出至风电机组的无功电压控制器中，使每台风电机组根据相应的下垂增益系数发出无功功率之后，还包括：
判断并网点电压幅值是否越限；
若并网点电压幅值越限，计算每台风电机组的有功削减量，重复计算得到所述风电机组的下垂增益系数，将所述重复计算得到的下垂增益系数输出至所述风电机组的无功电压控制器中直至风电场并网点电压不越限。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述计算每台风电机组的有功削减量，包括：
定义当前时刻风电机组的有功出力集合P＝[P1,P2,…,Pn]T，该时刻风电机组的无功出力集合Q＝[Q1,Q2,…,Qn]T；假设所有风电机组削减有功功率总量为ΔPcur，每台风电机组削减的有功功率按照各自出力比例承担，则有
Figure FDA0003510311680000042
其中，ΔPcur-i为第i台风电机组削减的有功功率，αi为第i台风电机组有功出力占所有风电机组有功出力的比例。
6.一种风电场电压分层协调优化控制系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取风电场集电系统拓扑、集电线路参数以及长度、主变压器参数、风电场并网点电压、风电机组端电压幅值；
电压灵敏度矩阵计算模块，用于根据所述风电场集电系统拓扑、集电线路参数以及长度、主变压器参数，计算近似有功电压灵敏度矩阵和近似无功电压灵敏度矩阵；
控制模块，用于基于所述风电场并网点电压、风电机组端电压幅值、近似有功电压灵敏度矩阵和近似无功电压灵敏度矩阵，以当前时刻机端电压和风电并网点电压为控制目标，以电压限值、无功限值以及满足系统稳定性的下垂增益限值为约束条件，建立解决风电机组机端及并网点电压为治理目标的下垂增益系数优化数学模型，对下一时刻风电机组的下垂增益系数进行优化，将优化得到的下垂增益系数输出至风电机组的无功电压控制器中，使每台风电机组根据相应的下垂增益系数发出无功功率参与风电场电压稳定性控制。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电压灵敏度矩阵计算模块，包括：
电压灵敏度获取单元，用于获取风电场内任意节点o对任意节点a的近似电压有功灵敏度
Figure FDA0003510311680000051
和近似无功电压灵敏度
Figure FDA0003510311680000052
分别为：
Figure FDA0003510311680000053
Figure FDA0003510311680000054
其中，ΔSa为节点a的功率扰动量，Va *为扰动节点a电压的共轭复数，Zoa为节点a到电网节点与节点o到电网节点共同联络线的阻抗；
电压灵敏度矩阵构建单元，用于基于所述近似电压有功灵敏度
Figure FDA0003510311680000055
和近似无功电压灵敏度
Figure FDA0003510311680000056
构建风电场内全部节点间的近似有功电压灵敏度矩阵SVP和近似无功电压灵敏度矩阵SVQ分别为：
Figure FDA0003510311680000061
Figure FDA0003510311680000062
其中，n为风电场内风电机组个数；第1到第n个节点表示风电机组所在的节点；第n+1个节点表示风电场并网点；第n+2个节点表示电网节点；电压Vi表示节点i的电压，其中i＝1,2,…,n,n+1；Pj表示第j个节点注入的有功功率，其中j＝1,2,…,n,n+1；Qj表示第j个节点注入的无功功率；在所述近似有功电压灵敏度矩阵SVP和近似无功电压灵敏度矩阵SVQ中，列向量表示该列对应的某节点注入的有功/无功功率对风电场内部所有节点电压的影响程度；行向量表示该行对应的风电场内部节点受不同节点注入无功时的电压影响程度。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述下垂增益系数优化数学模型中的目标函数为：
Figure FDA0003510311680000063
其中，ω1和ω2分别为控制目标的权重系数，Vpcc为风电场并网点电压，Vi为第i个风电机组的端电压，Vref1为风电场并网点电压参考值，Vref2为风电机组端电压参考值；
所述风电机组下垂增益系数为
Figure FDA0003510311680000071
R为下垂增益系数的集合；其中，下垂增益系数可变，也就是说风电机组工作于无功电压变下垂控制状态，该状态下第i个风电机组的无功输出为：
Figure FDA0003510311680000072
其中，
Figure FDA0003510311680000073
表示第i个风电机组的下垂控制增益，
Figure FDA0003510311680000074
为第i个风电机组的端电压，QW iref为第i个风电机组的无功参考值；
所述下垂增益系数优化数学模型中的约束条件包括：电压约束、无功功率约束及下垂增益约束；
其中，所述电压约束由下列步骤得到：
定义V＝[V1,…,VN]，P＝[P1,…,PN]，Q＝[Q1,…,QN]分别表示节点电压、有功功率和无功功率，风电机组有功及无功功率变化引起的风电场内全节点电压变化为：
△V＝SVQ△Q+SVP△P
根据当前采样时刻t0信息预测的下一个采样时刻t1的全节点电压为：
V(t1)＝△V(t0)+V(t0)≈V(t0)+SVQ△Q(t0)+SVP△P(t0)
其中，ΔP为下一时刻所有风电机组预测有功功率与当前时刻有功功率的差值，第i个风机在t0和t1时刻的无功分别为：
Figure FDA0003510311680000075
Figure FDA0003510311680000076
得到第i个风机在t0和t1时刻发出无功功率的差值为：
Figure FDA0003510311680000077
任意时刻电压需满足以下限定条件：
Figure FDA0003510311680000078
其中，Vmax和Vmin分别为预设的允许的电压上下限；
所述无功功率约束由下式计算得到：
Figure FDA0003510311680000081
其中，Si为第i个风电机组的视在功率，Pi为第i个风电机组在当前时刻发出的有功功率，Qi为第i个风电机组可发出的无功功率；
所述下垂增益约束满足以下条件：
ρ(MSVQ)<1
其中，ρ为矩阵的谱函数，定义为矩阵特征值的最大绝对值；M为所有风电机组下垂增益的对角矩阵。
9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：
电压幅值判断模块，用于判断并网点电压幅值是否越限；
有功削减量计算模块，用于若并网点电压幅值越限，计算每台风电机组的有功削减量；
优化调整模块，用于重复计算得到所述风电机组的下垂增益系数，将所述重复计算得到的下垂增益系数输出至所述风电机组的无功电压控制器中直至风电场并网点电压不越限。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述有功削减量计算模块，具体用于定义当前时刻风电机组的有功出力集合P＝[P1,P2,…,Pn]T，该时刻风电机组的无功出力集合Q＝[Q1,Q2,…,Qn]T；假设所有风电机组削减有功功率总量为ΔPcur，每台风电机组削减的有功功率按照各自出力比例承担，则有
Figure FDA0003510311680000082
其中，ΔPcur-i为第i台风电机组削减的有功功率，αi为第i台风电机组有功出力占所有风电机组有功出力的比例。
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